近日，上海科技大學iHuman研究所的趙素文團隊與天津大學張雁團隊、新加坡A*STAR/美國伊利諾伊大學厄巴納-香槟分校的趙惠民團隊合作，破解了一個40多年的未解之謎，揭示了一個負責Z-基因組生物合成的多酶系統，相關研究論文于2021年4月30日在《科學》（Science）在線發表。
在與細菌無休止的攻防大戰中，噬菌體的脫氧核糖核酸（DNA）經常通過修飾來逃避宿主內切酶的攻擊。2-氨基腺嘌呤（Z）就是其中一個例子，它是一種獨特的堿基修飾，在噬藻體S-2L的 DNA中完全取代了腺嘌呤（A），與胸腺嘧啶（T）形成具有三根氫鍵的堿基配對（圖1）。自1977年被蘇聯科學家Ivan Khudyakov發現以來，噬藻體S-2L一直是唯一已知具有Z-基因組的物種。Z-基因組的生物合成通路、存在的廣泛性以及它的重要性長期以來一直未知。
圖1. Z-T堿基對有三根氫鍵，而A-T堿基對只有兩根氫鍵。Z比A多出的官能團是嘌呤環上2位氨基（紫色框）。
趙素文團隊及合作者通過生物信息學和生物化學等技術手段，揭示了一個負責Z-基因組合成的多酶系統，由PurZ、dATPase 和DUF550等來自噬菌體的數個酶和若幹來自宿主的酶共同組成（圖2）。
圖2. 研究揭示Z-基因組生物合成通路，論文在線發表于國際頂尖學術期刊《科學》。
該研究發現近百個分布在全球各地的噬菌體中都含有該通路的關鍵酶，並因此推斷這些噬菌體也都具有Z-基因組。合作團隊選取了其中一個在上海被分離的噬菌體Acinetobacter phage SH-Ab 15497來進行多角度的在體實驗驗證。這些實驗都驗證了該噬菌體具有Z-基因組，這是繼40多年前報道的噬藻體 S-2L含有Z-基因組之後，首次實驗驗證在噬菌體中也具有Z-基因組，表明Z-基因組在大自然中可能廣泛存在。同時，合作團隊進一步驗證了Z-基因組的生物學意義。通過使用來自宿主的限制性核酸內切酶和一系列其他內切酶對Acinetobacter phage SH-Ab 15497的Z-基因組的切割實驗，合作團隊確認，識別位點中含有A的限制性核酸內切酶無法切割Acinetobacter phage SH-Ab 15497的Z-基因組。因此，Z-基因組的生物學意義是使得噬菌體可以逃避宿主內切酶的剪切，從而賦予噬菌體進化上的優勢。合作團隊對Z-基因組合成通路、存在的廣泛性和生物學意義的研究，使得大規模合成Z-DNA從而展開各種應用研究，如噬菌體療法、合成生物和DNA存儲等成爲可能。該論文由來自多家單位的研究人員合作完成。天津大學藥學院博士研究生周彥、上海科技大學iHuman研究所和生命科學與技術學院博士研究生許雪霞、新加坡A*STAR研究所魏易峰爲文章的共同第一作者。趙惠民教授、張雁和趙素文爲文章的共同通訊作者。上海科技大學iHuman研究所的克隆平台，免疫化學研究所的生物醫學大數據平台和化學分析平台也爲本研究提供了協助。